本发明涉及电磁勘探技术领域，尤其涉及一种航空瞬变电磁法多波脉冲发射电路。
背景技术：
航空瞬变电磁测量系统通常用一套发射子系统来激发一次电磁场，在地下感应产生的涡旋电流形成二次场，用接收子系统来获取二次场信号，利用二次场与大地导电率存在的函数关系，通过数据处理和解释技术来研究地下电性分布情况。
航空瞬变电磁测量系统的发射脉冲波形对探测效果影响很大，一方面要求通过较高的脉冲幅值，以提高发射磁矩，进而提高深部地质体的探测能力，另一方面又要求脉冲具有较短的关断沿，以增加激励源的频带宽度，进而提高对浅层地质体的分辨能力。
航空瞬变电磁系统通过增加发射线圈面积和发射电磁脉冲的峰值电流来提高发射峰值磁矩，一般采用多匝围绕飞机布设的线圈来增加面积，通过降低发射线圈直流电阻来提高峰值电流。但由于大电感量、小电阻发射线圈造成时间常数(l/r)增大，导致上升沿和下降沿过渡时间长，很难得到理想的快速关断的电流波形。
为了获得较大的发射磁矩，国内外早期普遍采用半正弦波谐振发射技术来解决低阻、大电感发射线圈带来的上述问题。通过发射线圈(电感l、电阻rtx)串接电容(c)的方式，通过谐振原理可产生脉冲宽度为t＝π·√lc，峰值电流为ipeak＝4udc/(π·rtx)，谐振电压为upeak＝ipeak·√(l/c)的半正弦波电流脉冲。但由于受到电路元器件耐压能力的限制，谐振电容不能过小，导致脉冲的下降沿时长，关断速度慢，不利于提高系统的浅层分辨能力。
技术实现要素：
为了克服现有技术的问题，本发明提供一种航空瞬变电磁法多波脉冲发射电路，它在发射大幅值双极性半正弦波脉冲的基础上，还能产生一组小幅值的快速关断的梯形波。大幅值的半正弦脉冲使得激发源具有更高的能量，快速关断沿的小幅值梯形脉冲使得激发源又具有较宽的频带，从而使得该电路可以兼顾探测深度能力和浅地层分辨能力。
本发明的技术方案是：提供一种航空瞬变电磁法多波脉冲发射电路，它是由隔离降压电源u2、滤波器、防反冲单向二极管d3组成，隔离降压电源u2、滤波器、防反冲单向二极管d3为激发梯形脉冲提供合适的电平和能量，滤波器包含电感l3、电容c5；
隔离升压电源u1、滤波器、高压充电器为激发半正弦波脉冲提供合适的电平和能量，滤波器包含电感l1、电容c1，高压充电器包含电感l2、igbt开关管g1、二极管d1、电容c2；
波形辅助控制电路、h全桥逆变电路和发射线圈组成多波电磁脉冲主回路，波形辅助控制电路包含二极管d2、电容c3、igbt开关管g2、电容c4，h全桥逆变电路包含igbt开关管g3、igbt开关管g4、igbt开关管g5、igbt开关管g6，发射线圈包含电感ltx、直流电阻rtx。
优选的，电容c4并联在h全桥逆变电路上，和发射线圈构成谐振电路，用于控制梯形波电磁脉冲的关断沿，关断时长toff1≈π/2√(c4·ltx)，减小电容c4，可提高关断速度。
优选的，电容c3通过igbt开关管g2并联在h全桥逆变电路上，和发射线圈构成谐振电路，用于控制半正弦波电磁脉冲的关断沿，关断时长toff2≈π/2√((c4+c3)·ltx)，由于电容c4<<电容c3，关断时长主要由电容c3的大小决定。
优选的，开关管g2由两只igbt开关管反向串接组成，igbt开关管g2关断后，将电容c3和电容c4隔离，使得梯形波脉冲的关断沿与电容c3无关。
优选的，由电感l2、igbt开关管g1、二极管d1和电容c2组成的高压充电器，用于给c3补充能量，以弥补全桥逆变器在能量转换过程中的损耗，以保持发射电流脉冲峰值稳定性，通过设置驱动信号s1的频率及脉宽，即通过频率调制或脉宽调制来控制c2的储能，进而控制半正弦波发射电流波形的大小。
优选的，半正弦波电磁脉冲发射电路控制方法—通过设定igbt开关管g2～g5的开关逻辑，来控制产生双极性的半正弦波脉冲，所述半正弦波脉冲由上升沿和下降沿组成；
上升沿控制逻辑如下：在0时刻，igbt开关管g2保持导通，将igbt开关管g3和igbt开关管g6导通，电容c2、电容c3和电容c4的储能向发射线圈的电感ltx转移，形成上升沿；
下降沿的控制逻辑：在t<＝π/2√((c2+c3+c4)ltx)时刻，该时刻可调节，但要确保电容c2和电容c3保留一部分储能，防止高压充电器交流短路，igbt开关管g3和igbt开关管g6关断，电感ltx储能通过igbt开关管内并联的续流二极管向电容c3和电容c4转移，形成下降沿；
双极性脉冲控制逻辑：将igbt开关管g3、igbt开关管g6的控制信号用于控制g4和igbt开关管g5，可形成正反两个极性的电流脉冲波形。
优选的，梯形波电磁脉冲发射电路控制方法—通过设定igbt开关管g2-g5的开关逻辑，来控制产生双极性的梯形波脉冲，梯形波脉冲由上升沿、顶沿和关断沿组成；
上升沿控制逻辑：0时刻，igbt开关管g2保持导通，igbt开关管g3和igbt开关管g6导通，电容c3和电容c4的储能向发射线圈的电感ltx转移，发射电流按半正弦波上升，达到某一设定大小后，关闭igbt开关管g2，电容c4的储能单独向发射线圈供电，发射电流继续上升，当电容c4的端电压小于隔离降压电源u2的输出电压时，上升沿阶段结束；
顶沿控制逻辑：igbt开关管g3和igbt开关管g6保持导通，igbt开关管g2保持关断，电源u2向发射线圈持续供电，形成梯形脉冲的顶沿；
关断沿控制逻辑：igbt开关管g2保持关断，当梯形脉冲顶沿持续时间达到要求后，将igbt开关管g3和igbt开关管g6关断，发射线圈电感ltx的储能向电容c4转移，形成脉冲的下降沿；
状态恢复逻辑：当发射线圈中的储能全部转移，电流为零后，igbt开关管g2导通，回复到电路初始状态。
本发明的有益效果是：电路与传统的半正弦波发射电路相比，其发射脉冲由两个1/4正弦波组成，上升沿和下降沿的时长和陡度可以独立调节，可以获得较窄的发射脉冲，在同等供电条件下，可以获得更大的峰值发射磁矩，以提高探测深度；电路与传统的单波形发射电路相比，在发射大幅值双极性半正弦波脉冲的基础上，还能产生一组小幅值的快速关断的梯形波。大幅值的半正弦脉冲使得激发源具有更高的能量，快速关断沿的小幅值梯形脉冲使得激发源又具有较宽的频带，从而使得该电路可以兼顾探测深度和浅地层分辨能力。
附图说明
下面根据图进一步对本发明加以说明：
图1是本发明航空瞬变电磁法多波脉冲发射电路原理框图；
图2是本发明航空瞬变电磁法多波脉冲发射电路原理图；
图3是本发明多波脉冲发射电路中igbt开关管的驱动信号时序图实例图；
图4是本发明发射线圈的电流波形图；
图5是本发明发射线圈的端电压波形图；
图6是本发明电容c4的电流波形图；
图7是本发明隔离降压电源u1的输出电流波形图；
图8是本发明电容c3的端电压波形图；
图9是本发明电容c4的端电压波形图；
图10是本发明电容c2的端电压波形图；
图11是本发明igbt开关管g1的漏极电流波形图；
图12是本发明电路工作阶段t1-t3说明图；
图13是本发明电路工作阶段t3-t7说明图；
具体实施方式
下面结合图对本发明作进一步详细的说明，需要说明的是，图仅用于解释本发明，是对本发明实施例的示意性说明，而不能理解为对本发明的限定。
图3是多波脉冲发射电路中igbt开关管的驱动信号时序图实例，工作基频为25hz，周期40ms，其中，a)是igbt开关管g3和g6的驱动信号；b)是igbt开关管g4和g5的驱动信号；c)是igbt开关管g2的驱动信号；d)是igbt开关管g1的驱动信号，工作频率为10khz，占空比0.25；
图12为电路工作阶段(t1-t3)说明图，其中电流波形为发射线圈(电感ltx，电阻rtx)；
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13所示，一种航空瞬变电磁法多波脉冲发射电路，它是由隔离降压电源u2、滤波器、防反冲单向二极管d3组成，其特征在于：隔离降压电源u2、滤波器、防反冲单向二极管d3为激发梯形脉冲提供合适的电平和能量，滤波器包含电感l3、电容c5；
隔离升压电源u1、滤波器、高压充电器为激发半正弦波脉冲提供合适的电平和能量，滤波器包含电感l1、电容c1，高压充电器包含电感l2、igbt开关管g1、二极管d1、电容c2；
波形辅助控制电路、h全桥逆变电路和发射线圈组成多波电磁脉冲主回路，波形辅助控制电路包含二极管d2、电容c3、igbt开关管g2、电容c4，h全桥逆变电路包含igbt开关管g3、igbt开关管g4、igbt开关管g5、igbt开关管g6，发射线圈包含电感ltx、直流电阻rtx。
优选的，电容c4并联在h全桥逆变电路上，和发射线圈构成谐振电路，用于控制梯形波电磁脉冲的关断沿，关断时长toff1≈π/2√(c4·ltx)，减小电容c4，可提高关断速度。
优选的，电容c3通过igbt开关管g2并联在h全桥逆变电路上，和发射线圈构成谐振电路，用于控制半正弦波电磁脉冲的关断沿，关断时长toff2≈π/2√((c4+c3)·ltx)，由于电容c4<<电容c3，关断时长主要由电容c3的大小决定。
优选的，开关管g2由两只igbt开关管反向串接组成，igbt开关管g2关断后，将电容c3和电容c4隔离，使得梯形波脉冲的关断沿与电容c3无关。
优选的，由电感l2、igbt开关管g1、二极管d1和电容c2组成的高压充电器，用于给c3补充能量，以弥补全桥逆变器在能量转换过程中的损耗，以保持发射电流脉冲峰值稳定性，通过设置驱动信号s1的频率及脉宽，即通过频率调制或脉宽调制来控制c2的储能，进而控制半正弦波发射电流波形的大小。
优选的，半正弦波电磁脉冲发射电路控制方法—通过设定igbt开关管g2～g5的开关逻辑，来控制产生双极性的半正弦波脉冲，所述半正弦波脉冲由上升沿和下降沿组成；
上升沿控制逻辑如下：在0时刻，igbt开关管g2保持导通，将igbt开关管g3和igbt开关管g6导通，电容c2、电容c3和电容c4的储能向发射线圈的电感ltx转移，形成上升沿；
下降沿的控制逻辑：在t<＝π/2√((c2+c3+c4)ltx)时刻，该时刻可调节，但要确保电容c2和电容c3保留一部分储能，防止高压充电器交流短路，igbt开关管g3和igbt开关管g6关断，电感ltx储能通过igbt开关管内并联的续流二极管向电容c3和电容c4转移，形成下降沿；
双极性脉冲控制逻辑：将igbt开关管g3、igbt开关管g6的控制信号用于控制g4和igbt开关管g5，可形成正反两个极性的电流脉冲波形。
优选的，梯形波电磁脉冲发射电路控制方法—通过设定igbt开关管g2～g5的开关逻辑，来控制产生双极性的梯形波脉冲，梯形波脉冲由上升沿、顶沿和关断沿组成；
上升沿控制逻辑：0时刻，igbt开关管g2保持导通，igbt开关管g3和igbt开关管g6导通，电容c3和电容c4的储能向发射线圈的电感ltx转移，发射电流按半正弦波上升，达到某一设定大小后，关闭igbt开关管g2，电容c4的储能单独向发射线圈供电，发射电流继续上升，当电容c4的端电压小于隔离降压电源u2的输出电压时，上升沿阶段结束；
顶沿控制逻辑：igbt开关管g3和igbt开关管g6保持导通，igbt开关管g2保持关断，电源u2向发射线圈持续供电，形成梯形脉冲的顶沿；
关断沿控制逻辑：igbt开关管g2保持关断，当梯形脉冲顶沿持续时间达到要求后，将igbt开关管g3和igbt开关管g6关断，发射线圈电感ltx的储能向电容c4转移，形成脉冲的下降沿；
状态恢复逻辑：当发射线圈中的储能全部转移，电流为零后，igbt开关管g2导通，回复到电路初始状态。
隔离降压电源u2、滤波器、防反冲单向二极管d3组成低压供电电源，为激发梯形脉冲提供合适的电平和能量；隔离升压电源u1、滤波器、高压充电器组成高压供电电源，为激发半正弦波脉冲提供合适的电平和能量；波形辅助控制电路、全桥逆变电路和发射线圈组成多波电磁脉冲主回路。开关管驱动信号s2-s6，用于控制发射脉冲波形、频率、宽度和极性。
该电路通过隔离降压电源u2将飞机提供的28v直流电源变换为低压，经过电感l3和电容c5组成的lc滤波器进行缓冲以提高瞬时输出功率，再通过单向二极管d3送至全桥逆变器，为激发梯形波脉冲提供合适的电平和能量。
该电路通过隔离升压电源u1将飞机提供的28v直流电源倍压，经过电感l1和电容c1组成的lc滤波器进行缓冲以提高瞬时输出功率，为高压充电器提供合适的电平和能量。
该电路的高压充电器中的电感l2、igbt开关管g1、二极管d1、电容c2，在脉宽调制开关信号s1的控制下，给电容c2充电。电容c2存储的能量用于补充后续脉冲激发回路的损耗。
该电路的波形辅助控制电路中的单向二极管d2、电容c3、igbt开关管g2、电容c4用于构成谐振电容网络，在igbt开关管g2驱动信号s2的控制下，为发射线圈提供不同的谐振电容，以产生半正弦波和梯形波的边沿。
该电路的全桥逆变器和多匝发射线圈组成h全桥逆变电路，在驱动信号s3～s6的控制下，定义发射脉冲波形、频率、宽度和极性。
进一步地，通过将小容量电容c4并联在h全桥逆变电路上，和发射线圈构成谐振电路，可提高关断速度。
进一步地，将大容量电容c3通过igbt开关管g2并联在h全桥逆变电路上，和发射线圈构成谐振电路，通过电感储能和电容储能的快速转换，实现近似半正弦波的大幅值窄脉冲。
进一步地，开关管g2由两只igbt开关管反向串接组成，通过开关管g2将电容c3和电容c4隔离，使得梯形波脉冲的关断沿与电容c3无关，可实现梯形波关断沿的独立调节。
进一步地，高压充电器包括电感l2、igbt开关管g1、二极管d1和电容c2，通过高压充电器给c3补充能量，以弥补全桥逆变器在能量转换过程中的损耗。通过设置驱动信号s1的频率及脉宽，即通过频率调制或脉宽调制来控制c2的储能，进而控制半正弦波发射电流波形的大小。
进一步地，通过设定igbt开关管g2-g5的开关逻辑，来控制产生双极性的半正弦波脉冲和双极性的梯形波脉冲，半正弦波脉冲由上升沿和下降沿组成，双极性的梯形波脉冲由上升沿、顶沿和关断沿组成。
如图1、图2、图3所示，隔离降压电源u2将飞机提供的28vdc电源降压至18vdc，10uh电感l3和0.5f电容c5组成滤波器，通过单向二极管d3，为激发梯形脉冲提供能量；隔离升压电源u1将飞机的28vdc电源升压至48vdc，10uh电感l1和1f电容c1组成滤波器，为高压充电器提供能量。5uh电感l2、igbt开关管g1、二极管d1和1200uf电容c2组成高压供电电源，为谐振电容c3补充能量。波形辅助控制电路包括二极管d2、1200uf电容c3、igbt开关管g2、2uf电容c4，全桥逆变电路包括igbt开关管g3、g4、g5、g6，发射线圈包括电感ltx：1.2mh，直流电阻rtx：0.105ω。波形辅助控制电路、全桥逆变电路和发射线圈组成多波电磁脉冲主回路。开关管驱动信号s2～s6，用于控制发射脉冲波形、频率、宽度和极性。实例中发射频率25hz，整周期40ms，半周期20ms。
如图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，下面对多波发射电路的工作过程进行详细说明，由于双极性发射波形的正向和负向的控制原理是一样的，所以只对正向发射波形进行详细说明：
初始状态：igbt开关管g2-g6对应的驱动信号为s2-s6，除s2为高电平维持g2导通外，其他驱动信号均为低电平，维持对应的开关管为关断状态。电容c2电压初始状态为850v。由于igbt开关管g2导通，c3、c4的端电压均为850v。
g1工作状态：在正常工作状态下，igbt开关管g1在驱动信号s1的控制下以工作频率10khz连续工作，为c2充电。
如图12所示，第一阶段t1：该阶段形成正向半正弦波的上升沿。该阶段时长最大值为t<＝π/2√((c2+c3+c4)ltx)，实例设定该阶段结束时刻t1＝2.2ms。0ms时刻，开关管g2仍维持导通，驱动信号s3和s6跳变为高电平，开关管g3和g6导通，电容c2、c3和c4存储的能量通过开关管g3、发射线圈、开关管g6构成的回路向电感ltx转移，形成半正弦波的上升沿。该阶段中发射电流由0a逐渐提高至800a，电容c2、c3和c4的电压由850v降至190v。由于该电压值大于隔离降压电源u2的电压，在二极管d3的单向导通作用下，u2输出电流为零。
如图12所示，第二阶段t2：该阶段形成正向半正弦波的下降沿。该阶段的时长由发射线圈电感ltx、c3和c4通过公式t2≈π/2√((c4+c3)·ltx)确定，实例中t2设定为1.4ms。在t1＝2.2ms时刻，开关管g2仍维持导通，驱动信号s3和s6跳变为低电平，开关管g3和g6断开，由于电感ltx中的电流不能突变，电感ltx中的储能通过开关管g4和g5并联的续流二极管向谐振电容c3和c4转移，形成半正弦波脉冲的下降沿。在t2＝3.6ms时刻，发射电流由800a逐渐降低至0a，谐振电容c3和c4的电压由190v提升至850v。在高压充电器以10khz频率对c2充电，电容c2的电压由190v提升至约300v，这一阶段结束。
第三阶段t3：该阶段发射电流波形保持零值，高压充电器持续给电容c2充电，电容c2的电压由300v提升至约550v。实例中这一过程设定为14.2ms，即t3＝17.8ms时刻，该过程结束。高压充电器工作状态参见图10和图11。
如图13所示，第四阶段t4：该阶段形成梯形波的上升沿。在t3时刻，开关管g2仍维持导通，驱动信号s3和s6跳变为高电平，开关管g3和g6导通，电容c3和c4存储的能量通过开关管g3、发射线圈、开关管g6构成的回路向电感ltx转移，形成梯形波发射电流的上升沿。当发射电流达到设定值时，实例为70a，对应时刻t4＝0.179ms时，驱动信号s2跳变为低电平，开关管g2断开，电容c4单独继续向发射线圈转移能量，发射电流继续提升。当电容c4电压降至等于隔离降压电源u2的输出电压后，这一过程结束。
如图13所示，第五阶段t5：该阶段形成梯形波的顶沿。该阶段开关管g2维持断开状态，开关管g3和g6维持导通状态，隔离降压电源u2通过二极管d3、开关管g3和g6给发射线圈供电，发射电流持续缓慢提高至80a。当梯形波达到设定脉宽后，此过程结束。实例中设定顶沿宽度1ms，结束时刻t5＝18.93ms。实例梯形波的顶沿线性缓慢上升，可以通过调节隔离降压电源u2的输出电压的方法实现一个平稳的顶沿。
如图13所示，第六阶段t6：该阶段形成梯形波的关断沿。该阶段的时长由发射线圈电感ltx和c4通过公式t6≈π/2√(c4·ltx)确定，实例中t6约为0.07ms。在t5时刻，驱动信号s3和s6跳变为低电平，开关管g3和g6断开，电感ltx中的储能通过开关管g4和g5并联的续流二极管向谐振电容c4转移，由于c4的容量小，发射电流快速减小，c4的端电压迅速抬升，形成半正弦波脉冲的下降沿。在t6＝19ms时刻，此过程结束。
如图13所示，第六阶段t7：状态恢复阶段，此阶段发射电流维持零值。在t6时刻，驱动信号s2跳变为高电平，开关管g2导通，将c4上的高压向电容c3泄放，直至二者电压均等，恢复到850v。t4-t7阶段，高压充电器持续给电容c2充电，使其端电压恢复到初始状态的850v。在t7＝20ms处，此阶段结束，电路恢复到初始状态。
t1-t7阶段构成了发射脉冲的正半周期，波形为正向的大幅值正弦波和一个正向的小幅值梯形波。负半周期为20ms-40ms，控制开关管g4和g5通断，可以形成负向多波发射脉冲。
本发明电路与传统的半正弦波发射电路相比，其发射脉冲由两个1/4正弦波组成，上升沿和下降沿的时长和陡度可以独立调节，可以获得较窄的发射脉冲，在同等供电条件下，可以获得更大的峰值发射磁矩，以提高探测深度。
本发明电路与传统的单波形发射电路相比，在发射大幅值双极性半正弦波脉冲的基础上，还能产生一组小幅值的快速关断的梯形波。大幅值的半正弦脉冲使得激发源具有更高的能量，快速关断沿的小幅值梯形脉冲使得激发源又具有较宽的频带，从而使得该电路可以兼顾探测深度和浅地层分辨能力。
本发明电路可通过脉冲频率调制或脉宽调制方式来精确控制发射电流的波形、频率和脉宽，从而实现数字化控制。
以上所述为本发明的实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种改进和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等均应含在本发明的权利要求范围之内。